基于虛擬現(xiàn)實的起落架虛擬維修仿真研究

徐振國 張旭 于開貞 馬躍坤 管鋮鈺

摘? 要：起落架是飛機的重要組成部分，其工作性能是飛機安全性能的重要指標之一，針對起落架實際維修中維修人員經(jīng)驗不足或依賴繁瑣的排故手冊所導致的操作不規(guī)范，維修進度慢等問題，文章基于虛擬仿真平臺對起落架維修過程進行仿真研究，首先利用建模軟件進行起落架的模型構(gòu)建并導入虛擬現(xiàn)實仿真平臺，其次建立虛擬維修場景，然后進行起落架零件屬性設置以實現(xiàn)虛擬維修仿真的交互控制，最后根據(jù)虛擬維修仿真的過程進行分析與工效評估。

關(guān)鍵詞：虛擬維修;起落架;工效評估

中圖分類號：TP391.9??? 文獻標識碼：A

Abstract： The landing gear is an important part of the aircraft. Its working performance is one of the important indicators of the aircraft safety performance. It is aimed at the lack of experience of the maintenance personnel in the actual maintenance of the landing gear， or the operation is not standardized and the maintenance progress is slow due to the cumbersome troubleshooting manual. In this paper， based on the virtual simulation platform， the landing gear maintenance process is simulated. Firstly， the model of the landing gear is constructed using modeling software and imported into the virtual reality simulation platform. Secondly， the virtual maintenance scene is established， and then the landing gear part attributes are set to achieve interactive control of virtual maintenance simulation， and finally analysis and ergonomics evaluation based on the process of virtual maintenance simulation.

Key words： virtual maintenance; landing gear; ergonomics evaluation

0? 引? 言

我國的民航業(yè)正處于快速發(fā)展時期，民航飛機作為一種結(jié)構(gòu)復雜、維修要求高的大型高科技設備，其設備維修對高水平和技術(shù)熟練的維修人員需求迫切，而當前航空維修人員的培訓主要依賴傳統(tǒng)的航空出版物、多媒體課件等方式，互動性差，培訓效果差，不利于實際維修作業(yè)[1]。利用模擬機進行培訓具有實際操作演示的效果，但是該方式具有占用場地過多、前期投入較高等缺點。一旦飛機設備面臨更新?lián)Q代，那么后期用于維護及升級的代價同樣過高。

起落架作為飛機起飛、降落以及停放的重要部件，其維修品質(zhì)直接影響飛機的安全性能。隨著現(xiàn)代裝備的復雜化、高技術(shù)化發(fā)展，虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality， VR）技術(shù)已經(jīng)被廣泛應用在維修仿真領(lǐng)域。虛擬維修[2]是指在計算機生成的虛擬環(huán)境中利用VR技術(shù)對現(xiàn)實世界形象、直觀的表達能力進行維修活動的技術(shù)。將虛擬維修技術(shù)應用到航空維修任務，對于飛機的維修性設計和維修人員的培訓有著重大意義，盡管虛擬維修仿真技術(shù)在航空維修領(lǐng)域已經(jīng)有了相當?shù)难芯亢统晒?，但是維修工藝仿真分析和對仿真工效評估的效率較低。針對上述問題，本文以飛機起落架為仿真對象，利用虛擬現(xiàn)實仿真平臺建立虛擬樣機并構(gòu)建虛擬場景，通過與場景中的對象進行虛擬交互實現(xiàn)維修的過程，最后建立綜合評估指標對虛擬維修過程進行評估，如圖1所示。

1? 虛擬維修過程仿真

虛擬維修仿真過程其本質(zhì)上就是維修對象、維修工具、維修人員、維修環(huán)境之間的交互作用。在虛擬維修仿真環(huán)境中，一項維修任務是由按順序組合的一系列維修操作組成的，所以維修仿真的序列能夠表示真實的維修操作的過程。在起落架虛擬維修仿真中，人機交互是完成仿真的關(guān)鍵操作之一，首先需要確保起落架以正確的順序拆裝，維修仿真的拆裝順序要依靠零部件的維修工藝和經(jīng)驗來設置，根據(jù)零部件模型本身的物理和幾何約束設定優(yōu)先拆裝順序[3]。為了保證拆裝序列正確性和最優(yōu)性及防止仿真模型由于零件數(shù)目過多使得多次交互產(chǎn)生疲勞，采用神經(jīng)網(wǎng)絡算法或相關(guān)標準數(shù)據(jù)庫的支持。

在現(xiàn)有的虛擬維修仿真中，較少考慮虛擬仿真環(huán)境中維修人員的維修活動以及維修過程中的人為因素。例如在規(guī)劃維修路徑時，在狹窄的維修空間條件下為零件規(guī)劃無碰撞的拆卸路徑，而忽略人為因素可能會導致零件拆卸失敗[4]。

3D Studio Max是一款可以實現(xiàn)三維建模、渲染及制作三維動畫的軟件，其內(nèi)置多邊形建模功能，自由度高，在計算機仿真、多媒體和工業(yè)設計等領(lǐng)域應用廣泛[5]。3D Studio Max注重影視動畫特效，它在模型的精準度方面稍弱，但虛擬維修任務注重仿真交互場景的逼真和維修人員對維修序列的掌握[6]，而對模型的精度要求不高，并且考慮到Unity3D引擎對于3D Studio Max輸出格式的支持能保證模型轉(zhuǎn)換格式后不會失真，因此本文采用3D Studio Max軟件建立起落架三維實體模型，在建模過程中考慮尺寸比例以優(yōu)化模型、提高響應速度，然后將起落架模型導入虛擬現(xiàn)實引擎Unity3D建立虛擬環(huán)境模型，虛擬環(huán)境中起落架維修仿真過程如圖2所示。

2? 維修過程工效評估

由于航空維修復雜性高，維修難度大，技術(shù)性強，對維修人員的素質(zhì)要求很高，通過對維修人員的操作過程進行評估，可以掌握維修操作序列的維修效果，進而評估維修培訓的效果[7]。維修工效評估需要考慮諸多因素，包括維修人員進行維修操作的可視性、可及性以及舒適度。

目前維修過程的分析評估方法過于依賴設計師主觀評價，不能全面反映人機交互性能的優(yōu)劣，缺少針對維修過程的綜合評估方法研究[8]。針對上述評估存在的不足，提出一種人機工效綜合評估方法，依次對仿真過程中各維修操作序列的可視性、可及性和操作舒適度進行量化評估，并將上述人機因素評估結(jié)果進行組織、分析，建立一個基于權(quán)重的綜合指標體系，對維修過程進行綜合評估。

可視性是指維修人員在維修過程中，眼睛在觀察視野正前方時的視野范圍，維修人員的可視性決定維修工作是否能準確方便的完成，因此對于可視性的量化評價是非常有必要的。根據(jù)人體工學知識，在人的頭部靜止、眼睛正?；顒拥臓顟B(tài)下視覺范圍是固定的，把這種狀態(tài)下的視野范圍劃分為最佳視野區(qū)域R、最大視野區(qū)域R及不可視區(qū)域R，定義如下，視平面投影如圖3所示：

R=x，y|x+y

R=x，y|+>1

R=x，y|+<1; x+y>c

其中：c=l*tanγ，l指視點到視平面的距離，γ 指最佳視野范圍的臨界視線角度，γ≈15°;a=l*tanα，β指最大視野范圍的Y方向臨界視線角度，β≈40°。

根據(jù)以上區(qū)域劃分，維修人員的可視性評級分為七個等級，一級到七級可視性逐級降低，具體如下：一級指維修對象完全處于維修人員的最佳視野區(qū)域以內(nèi)，可視性最佳;二級指維修對象完全處于維修人員的最大視野區(qū)域以內(nèi)，且大部分在最佳視野區(qū)域，可視性良好;三級指維修對象完全處于維修人員的最大視野區(qū)域以內(nèi)，但大部分不在最佳視野區(qū)域，可視性良好，長時間操作容易產(chǎn)生疲勞;四級指維修對象完全處于維修人員的最大視野區(qū)域以內(nèi)，但不在最佳視野區(qū)域，可視性良好，長時間操作極易產(chǎn)生疲勞;五級指維修對象大部分處于維修人員的最大視野區(qū)域以內(nèi)，少部分處于最大視野范圍以外區(qū)域，可視性一般;六級指維修對象只有小部分處于維修人員的最大視野區(qū)域以內(nèi)，大部分處于最大視野范圍以外區(qū)域，可視性較差;七級指維修對象處于維修人員的不可見區(qū)域，不可見。

可及性是指維修人員在維修操作過程中，維修人員上肢到達維修部位的難易程度，可及性決定了維修人員在維修過程中的可操作范圍[9]?？杉靶缘脑u分根據(jù)維修人員和維修對象之間的距離以及中間是否有障礙物來評估。根據(jù)人機工學知識，將維修工作區(qū)域的可及性分為五個等級，一級到五級可及性逐級降低，具體如下：一級指維修對象處于維修人員的精細操作區(qū)域，且維修人員和維修對象之間沒有障礙物遮擋，可及性最佳;二級指維修對象處于維修人員的有效操作區(qū)域，且維修人員和維修對象之間沒有障礙物遮擋，可及性良好;三級指維修對象處于維修人員的精細操作區(qū)域，且維修人員和維修對象之間存在障礙物遮擋，可及性一般;四級指維修對象處于維修人員的有效操作區(qū)域，且維修人員和維修對象之間存在障礙物遮擋，可及性一般;五級指維修對象處于維修人員的無效操作區(qū)域，操作不可及。

舒適度是指維修人員在進行維修操作時，操作姿態(tài)的舒適程度。本文舒適度評估采用快速上肢評估（Rapid Upper Limb Assessment，RULA）評估方法[10]，RULA是一種人體工效學評估方法，該方法通過對人體姿勢的分析，并結(jié)合肌肉的使用情況進行人體上肢肌肉、骨骼損傷風險大小的評估。RULA將工作姿態(tài)、運動強度、肌肉受力情況、發(fā)力程度等因素綜合在一起，加權(quán)得出最終的評估結(jié)果。

基于以上維修操作的可視性、可及性、操作舒適度三種評估指標，建立工效綜合評估模型，具體如下：首先判斷各因素之間的相對重要度，構(gòu)造三種因素之間的權(quán)重矩陣M;然后根據(jù)權(quán)重矩陣計算各因素的權(quán)重向量并進行一致性檢驗;最后根據(jù)權(quán)重向量計算綜合評估分數(shù)W。

W=V×W，W，W

其中： W、W、W分別表示維修操作中的可視性、可及性以及舒適度評價分數(shù)，V表示歸一化后的權(quán)重矩陣最大特征值對應的特征向量。

3? 總? 結(jié)

起落架的維修質(zhì)量會直接影響飛機的安全性能，本文針對影響其維修質(zhì)量的因素進行分析，將虛擬維修技術(shù)應用于起落架的維修中，利用三維建模軟件進行起落架的三維實體構(gòu)建并導入虛擬現(xiàn)實仿真平臺，根據(jù)零部件的維修工藝和經(jīng)驗來制定維修步驟并設計維修評價指標，然后通過仿真模擬飛機起落架的維修過程，并對維修過程的效果進行了評估。利用虛擬維修技術(shù)不但可以大大減少維修培訓成本，并且可以使維修人員通過控制虛擬設備來模擬出實際維修工作的效果，目前虛擬維修技術(shù)在航空維修領(lǐng)域的應用還處于開始階段，有很大的潛力和應用價值。未來研究中可以添加故障狀態(tài)、故障關(guān)聯(lián)、故障判斷、維修操作引導、反饋機制以充分仿真實際維修過程中的環(huán)境以及工況，減少維修成本，提高維修人員的故障診斷能力和維修熟練度。

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